docpełny tekst - Awarie budowlane
download 
Reklamacja Transkrypt
pełny tekst - Awarie budowlane
XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna awarie budowlane 2013 STANISŁAW M. WIERZBICKI, [email protected] JAN SIECZKOWSKI, [email protected] Instytut Techniki Budowlanej KONSTRUKCJE BUDYNKÓW WIELKOPŁYTOWYCH Z PUNKTU WIDZENIA ZABEZPIECZENIA PRZED AWARIĄ ORAZ MOŻLIWOŚCI ICH MODERNIZACJI LARGE PANEL BUILDING STRUCTURES FROM THE POINT OF VIEW OF PROTECTION AGAINST FAILURES AND POSSIBILITY OF MODERNIZATION Streszczenie Referat omawia problemy związane z konstrukcją użytkowanych współcześnie budynków wielkopłytowych na tle historii stosowania technologii wielkopłytowej. Przedstawiono podstawy normowe, literaturowe i badawcze projektowania rozwiązań konstrukcji nośnych. Omówiono miejsca „wrażliwe” tych konstrukcji, najbardziej podatne na możliwość awarii, do których zaliczono złącza pionowe i poziome oraz nadproża występujące w tarczach stropów i ścian. Odnotowano specyfikę konstrukcji trójwarstwowych ścian zewnętrznych. Podjęto ocenę bezpieczeństwa konstrukcji budynków użytkowanych przez wiele lat w świetle współczesnych wymagań stwierdzając, że wymagania te są spełnione. Ustosunkowano się do trwałości konstrukcji budynków wielkopłytowych. Przedstawiono możliwości dokonywania modernizacji budynków z uwzględnieniem ich wpływu na bezpieczeństwo konstrukcji. Abstract The paper deals with the problems of structure of existing large panel buildings, in the context of history of the application of large panel technology. Standards, literature and research results as the basis for the design of load bearing structures are presented. The sensible points of construction such as horizontal and vertical joints in the walls and floors as well as lintels are discussed. Specific issues of external sandwich walls are noted too. Evaluation of security of building structures during the long term exploitation in the context of current requirements is undertaken, ending with the conclusion that those requirements are meet. Papers refers also to the durability of large panel buildings. Possibility of modernization of such buildings taking into account the influence on structural safety is presented as well. 1. Wprowadzenie Referat jest poświęcony rozwiązaniom konstrukcyjnym budynków wielkopłytowych z punktu widzenia zabezpieczenia przed awarią budowlaną oraz możliwości ich modernizacji. Nie omawia, z uwagi na przygotowanie zawodowe autorów, rozwiązań technicznych instalacji, nie dotyczy też problemów funkcjonalno-użytkowych budynków wielkopłytowych, obecnie powszechnie krytykowanych, a wynikających z polityki mieszkaniowej obowiązującej w czasach, gdy budynki te były projektowane. Problem bezpieczeństwa konstrukcji (ich „odporności” na wystąpienie awarii) użytkowanych od wielu lat budynków mieszkalnych wykonanych z betonowych elementów wielkowymiarowych jest co pewien czas podnoszony, szczególnie przez niektóre środowiska użytkowników tych budynków, jak też przez potencjalnych wykonawców ich modernizacji oraz nawet przez Komisje Sejmowe (ostatnio na posiedzeniach w grudniu 2012 r. i lutym 2013 r.). 104 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… Zainteresowanie tą problematyką jest uzasadnione, ponieważ mieszkania znajdujące się w budynkach wzniesionych w technologiach wielkopłytowej i wielkoblokowej w miastach stanowią znaczącą część zasobów mieszkaniowych. W 2010 r. według [1] w miastach było 9 041 tys. mieszkań. Według szacunków Instytutu Gospodarki Mieszkaniowej z 1999 r. w budynkach wielkopłytowych i wielkoblokowych było około 4 000 tys. mieszkań, a zakładając, że ich liczba nie wzrosła od tego czasu, można przyjąć, że obecnie w miastach w budynkach tych znajduje się około 40% mieszkań. Mówiąc o modernizacji mieszkań w budynkach wielkopłytowych warto wiedzieć, że w miastach wg [1] ponad 20% mieszkań znajduje się w budynkach wzniesionych przed 1945 r. Dane te pokazują jak duże są w Polsce potrzeby modernizacji zasobów mieszkaniowych. Okres użytkowania zdecydowanej większości budynków wielkopłytowych wynosi kilkadziesiąt lat. Pierwszy budynek wielkopłytowy w technologii WUF-T został zbudowany w 1957 r. w Warszawie [2]. Tak długi okres użytkowania budynków nasuwa pytania dotyczące zakładanego okresu ich trwałości, rzeczywistego zachowania się konstrukcji w czasie oraz aktualnego stanu technicznego. Wieloletnie stosowanie technologii wielkopłytowej stwarzało możliwość eliminacji rozwiązań, które nie sprawdzały się w dostatecznym stopniu i zastępowania ich lepszymi. Z drugiej jednak strony stosowanie tej technologii w wielkiej skali, z ujednoliconymi rozwiązaniami konstrukcyjno-budowlanymi w ramach ogólnopolskich systemów mogło też prowadzić do wielokrotnego powtarzania błędnych rozwiązań. W czasie, gdy wykonywano użytkowane do dzisiaj budynki wielkopłytowe, w produkcji i wykonawstwie panował prymat ilości nad jakością. Stosowano materiały o gorszej jakości, prefabrykaty wykonywano niestarannie i często uszkadzano w czasie transportu. Niestaranność wykonawstwa najczęściej ujawniała się w pierwszym okresie użytkowania budynków [3]. Na początkową złą jakość nakładały się zaniedbania w zakresie utrzymania budynków w należytym stanie technicznym w okresie ich eksploatacji. Na podstawie wieloletnich obserwacji budynków wielkopłytowych można stwierdzić, że stopień pogorszenia jakości w okresie wykonawstwa i użytkowania jednak nie zagraża dzisiaj bezpieczeństwu konstrukcji. Omawiając stan techniczny użytkowanych budynków wielkopłytowych (w kontekście zabezpieczenia ich przed wystąpieniem awarii) warto przypomnieć przesłanki wprowadzenia po II wojnie światowej, w wielu krajach europejskich, metod budownictwa uprzemysłowionego, w tym konstrukcji wielkopłytowych. W sytuacji ogromnych zniszczeń wojennych i wielkich potrzeb mieszkaniowych poszukiwano bardzo wydajnych, wysoko uprzemysłowionych metod budowania, pozwalających też na uniezależnienie się w znacznej mierze od warunków klimatycznych w sezonie zimowym. Jednocześnie na europejskim rynku pracy występował, spowodowany stratami wojennymi, brak wykwalifikowanych rzemieślników niezbędnych do wykonywania robót w technologiach tradycyjnych. Początki budownictwa wielkopłytowego miały miejsce w krajach skandynawskich, a na szeroką skalę budownictwo to było stosowane we Francji. W dawnych tzw. KDL-ach, w tym w Polsce, w warunkach gospodarki nakazowej, centralnie zarządzanej, łatwo było wprowadzić technologię wielkopłytową do powszechnego stosowania w postaci państwowej polityki techniczno-inwestycyjnej, obowiązującej w latach 1960÷1990. W Polsce szczególnie intensywny rozwój budownictwa wielkopłytowego miał miejsce w dziesięcioleciu 1970÷1980 (rys. 1). Referaty plenarne 105 tys. m2 p.u. mieszkań 14000 12000 20% 10000 8000 Monolit 36% 6000 Wielka płyta 77% 4000 Inne 60% 58% 2000 22% 18% 0 1970 6% 1975 3% 1980 Rys. 1. Udział technologii wielkopłytowej w wielorodzinnym budownictwie mieszkaniowym W Polsce, w wyniku realizacji programu rządowego o jak najszerszym stosowaniu technologii wielkopłytowej w budownictwie mieszkaniowym, w roku 1980 działało ponad 150 stałych wytwórni prefabrykatów wielkopłytowych, zwanych Fabrykami Domów, o łącznych możliwościach produkcyjnych pozwalających na zbudowanie rocznie ponad 10 milionów m2 powierzchni użytkowej mieszkań (ponad 200 tys. mieszkań). Zmiany w polskiej gospodarce rozpoczęte w początku lat 90-tych spowodowały stopniowy zanik budownictwa wielkopłytowego. Większość tzw. fabryk domów została zlikwidowana, niektóre zmieniły asortyment produkowanych elementów, część dokonała modernizacji wyposażenia i zmiany prefabrykatów systemów wielkopłytowych. Obecnie technologia wielkopłytowa stosowana jest w niewielkim zakresie, ale działające wytwórnie znajdują zbyt na swoje wyroby. Przykładem jest Fabryka Domów Bogucin, działająca na terenie województwa mazowieckiego, która przykładowo dostarczyła w 2010 r. prefabrykaty na około 1000 mieszkań [4]. W referacie wykorzystano materiały z konferencji „Możliwości techniczne modernizacji budynków wielkopłytowych na tle aktualnego ich stanu”, zorganizowanej przez Instytut Techniki Budowlanej w 1999 r. [5]. Pomimo upływu od konferencji ponad dziesięciu lat wiele ocen, wniosków i zaleceń nadal jest aktualnych. 2. Podstawy przyjęte przy projektowaniu konstrukcji wielkopłytowych Wznoszenie budynków z prefabrykatów wielkowymiarowych było w Polsce w latach 60 nową technologią i stąd opracowania podręcznikowe na temat projektowania konstrukcji wielkopłytowych [6], [7] wyprzedziły dość znacznie ustalenia normowe [8]. W tym samym czasie, tj. w latach 60÷70, w ramach organizacji międzynarodowych CEB-FIP (Europejski Komitet Betonu – Międzynarodowa Federacja Betonu Sprężonego) oraz CIB (Międzynarodowa Rada Budownictwa), szczególnie w podkomisji CIB W23 – Niezawodność Konstrukcji, trwały intensywne prace nad Zaleceniami Międzynarodowymi dotyczącymi 106 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… projektowania budynków wielkopłytowych. Końcowa wersja „Zaleceń” została opracowana w 1969 r. [9]. W pracach tych uczestniczyli także przedstawiciele Polski. Pierwszym krajowym dokumentem normalizacyjnym dotyczącym projektowania konstrukcji budynków wielkopłytowych była – zatwierdzona w 1974 r. – norma branżowa BN-74/881201 [8]. Norma ta nawiązywała do PN-56/B-03260 „Konstrukcje żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie”, posługującej się jeszcze globalnym współczynnikiem bezpieczeństwa. Zastąpienie jej przez PN-76/B-03264 „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie”, stosującej już częściowe współczynniki bezpieczeństwa, spowodowało konieczność nowelizacji BN-74, która ukazała się w postaci BN-78/8812-01 „Konstrukcje budynków wielkopłytowych. Projektowanie i obliczenia statyczno-wytrzymałościowe”. W roku 1990 opracowany został projekt nowej BN, ale do jej ustanowienia już nie doszło. Następował zmierzch opracowywania nowych systemów budownictwa wielkopłytowego a ponadto zmieniły się poglądy na celowość ustanawiania wąsko tematycznych norm szczegółowych. Jakkolwiek kolejne BN z 1974 r. i 1978 r. różnią się w szczegółach zaleceń konstrukcyjnych, to same zasady projektowania konstrukcji (scalanie prefabrykatów wielkowymiarowych w sztywne tarcze stropowe i ścienne oraz ich powiązanie w poziomie stropów za pomocą wieńców żelbetowych w stabilną przestrzennie całość) nie uległy zmianie. W celu nadania konstrukcji odporności na lokalne uszkodzenia norma projektowania konstrukcji z betonu PN-B-03264:1999, zharmonizowana z Eurokodem 2, eksponuje potrzebę wzajemnego powiązania stropów ze ścianami konstrukcyjnymi, nośnymi i usztywniającymi, a także ze słupami, nie tylko z prefabrykatów wielkowymiarowych, ale i monolitycznych, za pomocą zbrojenia, analogicznego jak było wymagane w BN. Zapewnienie odpowiedniej odporności na lokalne uszkodzenia ma w konstrukcjach prefabrykowanych znaczenie szczególne, z uwagi na większą ich wrażliwość na uszkodzenia niż konstrukcji monolitycznych. W okresie projektowania systemów budownictwa wielkopłytowego istniejące wówczas normy i wytyczne pozwalały w zasadzie na rozwiązanie większości problemów technicznych występujących przy opracowaniu systemów. W przypadkach, gdy stosowano zupełnie nowe rozwiązania, nie sprawdzone w praktyce i nie objęte istniejącymi normami czy instrukcjami, przeprowadzano wiele badań, głównie w Instytucie Techniki Budowlanej. Badania te dotyczyły zarówno zagadnień wytrzymałościowo – konstrukcyjnych, szczelności ścian zewnętrznych i właściwości akustycznych przegród, jak również zagadnień związanych z fazą produkcji, transportu i składowania prefabrykatów. Najwięcej przeprowadzono badań rozwiązań systemów, tzw. centralnych (W-70 i szczeciński), projektowanych na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Prowadzono też badania systemów o mniejszym zasięgu stosowania, jak WUFT i Winogrady [10]. Badania te, przeprowadzane zazwyczaj w skali naturalnej, dotyczyły: • w przypadku zagadnień wytrzymałościowo-konstrukcyjnych: – nośności ścian usztywniających oraz wpływu na tą nośność złączy pionowych między prefabrykatami i sztywności nadproży, – nośności i odkształcalności złączy poziomych i zamocowania stropów w ścianach nośnych, – nośności ścian w modelu ciągłym, z uwzględnieniem połączenia ścian i stropów w złączach poziomych, – nośności wtórnego ustroju konstrukcyjnego budynku częściowo uszkodzonego, • w przypadku szczelności ścian zewnętrznych – wpływu usytuowania wkładek przeciwdeszczowych na bezpośrednią penetrację wody opadowej, • w przypadku właściwości akustycznych przegród: – doboru średnicy i rozstawu kanałów w płycie kanałowej, Referaty plenarne 107 – wpływu złączy na właściwości akustyczne stropu oraz dobór podłóg, – zabezpieczeń akustycznych kabiny sanitarnej, • w przypadku zagadnień związanych z fazą produkcji, transportu i składowania prefabrykatów – sztywności płyt z otworami (okiennym i balkonowym) podczas rozformowania, przewożenia suwnicą i ustawienia w stojaku magazynowym, a także podczas magazynowania i transportu zewnętrznego. Badania te pozwoliły na opracowanie rozwiązań projektowych spełniających stawiane im wymagania pod warunkiem jednak, że prefabrykaty zostaną prawidłowo wykonane w zakładzie produkcyjnym, a następnie prawidłowo zmontowane na budowie oraz, że zostaną użyte materiały i wyroby o jakości założonej w projekcie. Warto przypomnieć, że w obliczeniach statycznych elementów wielkopłytowych uwzględniano nie tylko stadium pracy elementu w gotowym budynku i pracy budynku jako całości, ale również stadium rozformowania elementu w produkcji, jego transporcie oraz montażu konstrukcji O konstrukcji poszczególnych elementów oraz o konstrukcji budynku jako całości decydowały warunki występujące w stadium pracy gotowego budynku. Część podziemną budynku z reguły projektowano jako konstrukcję monolityczną, wykonywaną na miejscu budowy, natomiast z elementów wielkopłytowych montowano część nadziemną budynku. Przyjmowanie odmiennej konstrukcji części podziemnej miało na celu nadania jej większej sztywności przestrzennej, rekompensującej wpływ złączy elementów na sztywność budynku. Podstawową regułą przy projektowaniu budynków wielkopłytowych było nadawanie im sztywności przestrzennej za pomocą sztywnych ścian poprzecznych i podłużnych, przechodzących przez całą wysokość budynku. Ściany takie stanowiły pionowe przepony, których zadaniem było przejmowanie za pośrednictwem stropów i przekazywanie na grunt sił poziomych pochodzących od działania wiatru oraz wynikających z nie pionowego ustawienia elementów ściennych, obciążonych pionowo. Stropy traktowane były w obliczeniach jako sztywne przepony poziome (przy przejmowaniu sił poziomych działają jak belki – ściany zginane w swojej płaszczyźnie) co było równoznaczne z założeniem niezmienności konturu przekroju poziomego konstrukcji budynku przy jej odkształceniach. Ściany poprzeczne i podłużne, główne elementy ustroju przestrzennego budynku, traktowano jako wsporniki utwierdzone w monolitycznej, podziemnej części budynku lub rzadziej – w gruncie. Dodatkowo ściany zewnętrzne dzięki znacznej sztywności na odkształcenia w swojej płaszczyźnie przeciwdziałają skręcaniu ustroju przestrzennego budynku przy zginaniu i dlatego przyjmowano, że pod wpływem parcia wiatru przekroje ustroju przesuwają się równolegle. Przyjęcie takich założeń miało zapewnić bezpieczeństwo wszystkich elementów konstrukcji i bezpieczeństwo całego ustroju nośnego budynku. 3. Miejsca „wrażliwe” w konstrukcjach wielkopłytowych z uwagi na możliwość wystąpienia awarii Miejscami wrażliwymi budynków wielkopłytowych, odróżniającymi je od konstrukcji pozostałych rodzajów budynków ze ścianami nośnymi, jest obecność w tarczach stropowych i ściennych złączy między prefabrykowanymi płytami, wskazującymi miejsca, w których najczęściej mogą pojawić się rysy. Szczególnie dużą rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa konstrukcji odgrywają wieńce żelbetowe, obiegające ściany konstrukcyjne w poziomie stropów oraz zbrojenie podporowe stropów, zakotwione w tych wieńcach lub przechodzące z jednego przęsła stropu na drugie. Wieńce i zbrojenie podporowe łączą prefabrykowane płyty w tarcze stropowe i ścienne, a także łączą te tarcze w przestrzenny ustrój budynku. 108 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… Złącza stanowią miejsca zmiany właściwości wytrzymałościowych tarczy, w których koncentrują się jej odkształcenia spowodowane przez siły wewnętrzne wywołane oddziaływaniami zewnętrznymi na konstrukcję, a także przez skurcz betonu i zmiany temperatury. Siły ściskające, prostopadłe do płaszczyzny złącza, a także siły ścinające, równoległe do płaszczyzny złącza, powodują powstawanie rys w złączu. Przyczepność betonu wypełniającego spoinę złącza, do betonu prefabrykatu, jest bardzo mała i dodatkowo jest zmniejszana przez skurcz świeżego betonu. W przypadku, gdy w elemencie konstrukcji pojawiają się siły rozciągające, prostopadłe do płaszczyzny złącza, pojawieniu się rysy w złączu przeciwstawia się jedynie zbrojenie przeszywające złącze. Siłom ścinającym przeciwstawia się tarcie betonu wypełniającego spoinę złącza prefabrykatów, a także dyblowe ukształtowanie złącza, w efekcie którego następuje docisk do betonu prefabrykatu. Jeżeli złącze nie jest poddane sile ściskającej, a zwłaszcza gdy występuje w nim siła rozciągająca, tarcie betonu ma niewielki wpływ na nośność złącza, w związku z czym z reguły wykonywano złącza dyblowe. Na ukształtowanie i szerokość rys wpływa również, poza intensywnością oddziaływań, których wynikiem są występujące w konstrukcji siły wewnętrzne, efektywność zbrojenia zapewniającego spójność przestrzenną budynku, czyli zbrojenia obwodowego (wieńców), obiegającego w sposób nieprzerwany wszystkie ściany konstrukcyjne w poziomie stropów poszczególnych kondygnacji oraz zbrojenie łączące stropy ze ścianami konstrukcyjnymi, a także zbrojenie w samych złączach, prostopadłe do kierunku rysy. a) b) Rys. 2. Przykład uszkodzenia konstrukcji wielkopłytowej w wyniku wybuchu gazu: a) Łódź 1982 r., b) Gdańsk 1986 r. Wieńce oprócz zapewnienia spójność przestrzennej budynku mają istotną rolę w powstawaniu wtórnego ustroju nośnego nad uszkodzoną częścią budynku (rys. 2) oraz w wyrównywaniu odkształceń w styku ścian różnie obciążonych, a także w przejmowaniu sił rozciągających wywołanych w ścianie przez nierównomierne osiadanie budynku. Wieńce wykonywano w sposób tradycyjny, poprzez ułożenie zbrojenia jak na ścianach murowanych i łączenie go na zakład, lub jako wieńce ukryte przez połączenie prętów zbrojenia wystającego z prefabrykatów stropowych. Pręty łączono przez ich bezpośrednie spawanie lub w sposób szczególny, przy pomocy klamry, spirali lub przyspawanie dodatkowych prętów łączących do marek stalowych, przyspawanych do prętów płyty lub zakotwionych w betonie płyty (rys. 3). Połączenia prętów rozciąganych na klamry i na spirale charakteryzuję się dużą odkształcalnością. W budynkach posadowionych na słabych gruntach, gdy potrzebne jest silniejsze zbrojenie wieńcowe, pręty zbrojenia łączono za pomocą spawania. Referaty plenarne 109 Rys. 3. Połączenia prętów zbrojenia wieńców: a) na klamry, b) na spirale, c) dodatkowymi prętami przyspawanymi do marek stalowych Podobnie jak wieńce żelbetowe, połączenia płyt stropowych ze ścianami konstrukcyjnymi wykonywano w sposób tradycyjny, przez zakotwienie prętów płyt stropowych w wieńcu betonowanym na miejscu lub przez połączenie zbrojenia tych płyt w sposób przedstawiony na rys. 3. Pręty zbrojenia łączącego układano także w spoinach między płytami, o ile spoiny te były odpowiednio ukształtowane, a pole ich przekroju było dostatecznie duże, aby zapewnić należyte zakotwienie prętów w betonie. Stropy wielokanałowe łączono za pomocą prętów zbrojenia, umieszczonych w kanałach płyt wypełnionych betonem. Prawidłowe wykonanie połączeń płyt stropowych oraz zapewnienie ciągłości przekazywania sił w zbrojeniu wieńców tworzy sztywną, bezpieczną całość. 4. Zasady konstruowania charakterystycznych fragmentów konstrukcji wielkopłytowych w założeniu ich bezawaryjności Przy projektowaniu konstrukcji budynków wielkopłytowych przyjęto zasadę, że budynek będzie stanowił sztywny przestrzennie ustrój, geometrycznie niezmienny, a odkształcenia poszczególnych jego elementów w trakcie wznoszenia, a następnie jego użytkowania będą możliwie małe i nie będą im towarzyszyć rysy nadmiernej szerokości. Projektując elementy wielkopłytowe dużą uwagę poświęcano pasowaniu prefabrykatów, z uwzględnieniem przewidywanego sposobu ich montażu i łączenia w ustrój nośny budynku. Pamiętano przy tym, że możliwości korekty nie dość dokładnego usytuowania ścian i skorygowania w następnym etapie robót (z mniejszą lub większą łatwością) będą dość ograniczone, do z góry założonych w projekcie dopuszczalnych odchyłek wykonania prefabrykatów i ich montażu. Przekroczenie odchyłek in plus gabarytu prefabrykatów nie pozwalało na prawidłowe zmontowanie konstrukcji, a przekroczenie in minus groziło katastrofą, np. gdy długość podpory byłaby zbyt mała. Zasadą ogólną projektowania ścian prefabrykowanych było wymiarowanie ich jako konstrukcji betonowych, zwykle z betonu klasy B20÷B30. Ściany żelbetowe z pionowym zbrojeniem głównym w całym polu płyty projektowano tylko w warunkach szczególnych, gdy przyjęcie wyższej klasy betonu lub zwiększenie grubości ściany nie znajdowało uzasadnienia. Grubość ścian według normy [8] była uzależniona od granicznej ich smukłości, tj. stosunku ich wysokości do grubości, zróżnicowanych w zależności od rodzaju i klasy betonu. W pierw- 110 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… szych systemach przyjmowano grubość wewnętrznych ścian nośnych równą 14 cm, a w systemach kolejnych generacji, z uwagi na zapewnienie izolacyjności akustycznej między mieszkaniami zwiększono do 15 cm. Wszystkie płyty ścienne były zbrojone w celu zabezpieczenia przed odpadnięciem części prefabrykatu odspojonej w wyniku uderzenia w trakcie rozformowania, w transporcie lub podczas montażu. Zbrojenie miało też przeciwdziałać rysom wywołanym przez skurcz betonu, zmiany temperatury i miejscowe koncentracje naprężeń, jak również rysom powstałym przy rozformowaniu i transporcie. W szczególnych przypadkach stosowano zbrojenie służące do wzajemnego połączenia płyt, a także zbrojenie w pobliżu krawędzi poziomych w celu wzmocnienia tej strefy na docisk. W płytach z otworami stosowano zbrojenie konstrukcyjne wokół otworów, a w płytach o większej szerokości – zbrojenie obwodowe, zwykle w postaci „drabinki”. W celu przeciwdziałania rysom na powierzchni zewnętrznej płyt stosowano zbrojenie siatką umieszczoną w niewielkiej odległości od powierzchni zewnętrznej. Przykładowy schemat zbrojenia płyty z otworem drzwiowym pokazano na rys. 4. Nadproża w ścianach prefabrykowanych spełniają te same role co w ścianach monolitycznych, stanowią belkę przenoszącą obciążenia pionowe od spoczywającego na niej stropu oraz przy obliczaniu ściany na obciążenia poziome stanowią łącznik zapewniający współpracę pasm ściany przedzielonych rzędem otworów. Nadproża w ścianach prefabrykowanych, stanowiące część płyty ściennej osadzonej w dostatecznie szerokich pasmach bocznych zachowują się identycznie jak nadproża monolityczne. Sztywność nadproży w ścianach prefabrykowanych z reguły określano dla przekroju prostokątnego, odmiennie niż w ścianach monolitycznych, w których z uwagi na współpracę nadproża ze stropem można przy określaniu sztywności przyjmować przekrój teowy. Kiedy nadproże w ścianie składa się z dwóch płyt, np. nadproże w ścianie zewnętrznej złożonej z części nadokiennej – jednej płyty i podokiennej – drugiej płyty, nie połączonych ze sobą w sposób specjalny dla przejęcia poziomych sił stycznych w spoinie poziomej, do obliczeń sił w ścianie sztywność nadproża przyjmowano jako sumę sztywności obu jego części składowych. Rys. 4. Zbrojenie płyty ściennej z otworem drzwiowym: 1– uchwyt transportowy, 3 – pozioma drabinka górna, 4 – pionowa drabinka przy krawędzi otworu, 6 – zbrojenie słupka w postaci szkieletu, 7 – zbrojenie nadproża w postaci 2 drabinek Referaty plenarne 111 Nadproża w ścianach w zależności od ich wysokości zbrojono minimum 4 prętami podłużnymi usytuowanymi w narożach przekroju poprzecznego, przedłużonymi poza lico otworu lub siatkami z rozstawem prętów podłużnych nie większym niż 30 cm. W konstrukcjach wielkopłytowych wyczerpanie nośności ściany w strefie złącza poziomego zwykle następuje w jednym z dwóch charakterystycznych obszarów (przekrojów) tej strefy, a mianowicie: – w przekroju poprzez płytę ścienną górną lub dolną tuż przy jej powierzchniach wsporczych, – w przekroju w środkowej części złącza, poprzez płyty stropowe. Sposób oparcia i połączenia stropu w złączu poziomym wpływa na jego pracę dwojako rzutując na sposób przekazywania obciążenia z górnych kondygnacji oraz poprzez lokalną koncentrację naprężeń pojawiających się w wyniku oddziaływania stropu zamocowanego w ścianie. Nośność UN złącza obliczano ze wzoru: UN = η F R gdzie: η – globalny współczynnik redukcyjny wyrażający zmniejszenie nośności pełnego przekroju ściany na skutek obecności złącza poziomego, F – powierzchnia przekroju ściany, R – wytrzymałość betonu ściany. W początkowym okresie rozwoju konstrukcji wielkopłytowych wartość η określano empirycznie na podstawie badań wytrzymałościowych fragmentów ścian ze złączem wykonywanych w skali 1:1. Nagromadzenie wyników badań pozwoliło na dokonanie uogólnień i stworzenie bardziej uniwersalnych analitycznych metod obliczeń nośności złączy opartych na teoretycznym modelu jego zachowania się w stanie granicznym [11]. Złącze poziome, rozpatrywane jako połączenie pionowych i poziomych elementów konstrukcji budynku, stanowi odkształcalny węzeł ustroju ramowego. Jego sztywność rozpatrywano jako zespół elementów sprężystych pionowych i poziomych. Dla sztywności elementów poziomych decydujące znaczenie miała obecność zbrojenia wypuszczonego z płyty stropowej i obciążenie ściany. Najczęściej stosowanymi złączami poziomymi, z uwagi na prostotę ich wykonania, były złącza na rozłożonej zaprawie (rys. 5a). W złączach tych montaż płyt górnej kondygnacji rozpoczynał się od rozłożenia zaprawy na stropie, na której następnie ustawiano płyty górnej kondygnacji. Zasadniczą wadą tych złączy była trudność rektyfikacji ustawianej płyty. Zmiana ustawienia płyty powodowała pojawienie się w spoinie miejsc niewypełnionych zaprawą, co obniżało nośność złącza. Rys. 5. Rodzaje złączy poziomych: a) złącze na zaprawie, b) złącze podbijane, c) złącze podbetonowane 112 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… Innym rodzajem złączy poziomych były złącza podbijane (rys. 5b), w których płytę górnej kondygnacji ustawiano na nakrętkach trzpieni rektyfikacyjnych wystających z płyt niższej kondygnacji. Właściwy poziom wierzchu nakrętek kontrolowano przed ustawieniem płyty ściennej. Po ustawieniu płyty spoinę wypełniano przez podbijanie zaprawą z małą ilością wody. Po stwardnieniu zaprawy, nakrętki zwalniano aby obciążenie płyty przekazywało się wyłącznie na zaprawę. Zwalnianie nakrętki sprawiało trudności wykonawcom i dlatego też często zdarzało się, że pozostawały niezwolnione. Niezwolnienie nakrętek nie miało, szczególnie w przypadku nakrętek plastykowych, wpływu na nośność złącza. Istotne natomiast było należyte wypełnienie spoiny zaprawą, co głównie zależało od jej konsystencji. Najczęściej stosowano zaprawę o konsystencji pośredniej między suchą a gęsto plastyczną o wytrzymałości około 20 MPa. W przypadku występowania dużych poziomych sił ścinających w złączu z reguły stosowano złącza podbetonowywane (rys. 5c), w których płytę górnej kondygnacji ustawiano na obniżonych łapach płyt stropowych lub na nakrętkach trzpieni kierunkowych, jak w złączach podbijanych. Krawędź dolna płyty była zwykle zagłębiona około 1 cm poniżej wierzchu stropu i sfazowana w celu ułatwienia spływu betonu i zapobieganiu powstawania pustych miejsc pod płytą. Beton nanoszono z jednej strony ściany, a wypełnienie złącza kontrolowano z drugiej. W ścianach prefabrykowanych praca złącza pionowego przy przenoszeniu działających na nie sił zależy od ukształtowania krawędzi prefabrykatów, określającego sposób przekazywania sił w złączu, cech sprężystych i wytrzymałościowych betonu wypełniającego złącze oraz od zbrojenia złącza. Złącza pionowe płyt ściennych w budynkach o nie więcej niż 10 kondygnacji wykonywano jako złącza bezdyblowe płaskie (rys. 6a) lub bezdyblowe wrębowe (rys. 6b), zwane niekiedy złączami gładkimi. W takich złączach siły ścinające przekazywane są dzięki siłom przyczepności betonu wypełniającego do prefabrykatów, a po powstaniu rys – przez siły tarcia i udział zbrojenia. W przypadku wymaganej większej nośności złącza stosowano złącza dyblowe płaskie (rys. 6d i 6e) lub dyblowe wrębowe (rys. 6c). W celu przeciwdziałania rozspojeniu złącza na skutek pojawienia się rys skurczowych lub w wyniku oddziaływujących sił oraz zapewnienia pracy złącza po zarysowaniu stosowano w nich zbrojenie poprzeczne. Rys. 6. Rodzaje złączy pionowych – przekrój i ukształtowanie czoła prefabrykatu: a) bezdyblowe płaskie, b) bezdyblowe wrębowe, c) dyblowe wrębowe, d) i e) dyblowe płaskie Pręty połączone za pomocą spawania Referaty plenarne 113 Stropy z prefabrykatów wielkowymiarowych, podobnie jak i pozostałe elementy przegród poziomych budynku były projektowane według ogólnych wymagań konstrukcji żelbetowych. Podstawowe wymagania konstrukcyjne dla stropów sprowadzały się – poza nadaniem dostatecznej nośności w przęśle – do zapewnienia należytego oparcia stropu oraz połączeń prefabrykatów na podporze i w spoinach podłużnych, a także opasania tych elementów wieńcem po obwodzie tarczy i wzdłuż ścian konstrukcyjnych. W przypadku stropów zamocowanych w ścianach, wymagania konstrukcyjne dotyczyły również zapewnienia takiego zamocowania przez docisk krawędzi stropów ścianami wyższych kondygnacji lub przez zamocowanie stropu w wieńcu i odpowiednie połączenie wieńca ze ścianą niższej kondygnacji. Płyty łączono na podporze w celu przeciwdziałania siłom rozciągającym, działającym w kierunku zbrojenia głównego, i prostopadłym do tego kierunku siłom ścinającym, które pojawiają się w wyniku przestrzennej pracy budynku (lokalna katastrofa, nierównomierne osiadanie). Połączeniami mogły być odpowiednio łączone pręty wystając z płyty lub pręty dodatkowe, układane w spoinie między płytami. Zadaniem konstrukcyjnym połączenia płyt w spoinach podłużnych było przeciwdziałanie oddzielnemu uginaniu się płyt, tzw. klawiszowaniu, a także przejęcie naprężeń stycznych, pojawiających się w spoinach w wyniku pracy stropu jako tarczy. Wieniec żelbetowy stanowił wspólną część stropu i ścian konstrukcyjnych, zapewniającą współpracę przestrzenną wszystkich elementów konstrukcji budynku. 5. Aktualna ocena bezpieczeństwa konstrukcji użytkowanych budynków wielkopłytowych Obiegowa negatywna ocena jakości budynków wielkopłytowych wynika: – z rozwiązań funkcjonalno-użytkowych budynków i mieszkań, będących skutkiem obowiązującego w czasach PRL tzw. normatywu projektowania, – ze stosowania niewłaściwych materiałów i wyrobów, szczególnie wykończeniowych i instalacyjnych, – ze złej jakości wykonawstwa. Te, negatywne oceny, nie dotyczą jednak aktualnego stanu bezpieczeństwa konstrukcji. Dostępne w okresie powstawania systemów wielkopłytowych publikacje polskie i zagraniczne, wnioski z badań, rekomendacje międzynarodowe oraz normy były wystarczające do zaprojektowania konstrukcji budynków wielkopłytowych tak, aby spełniały stany graniczne nośności i użytkowalności oraz wykazywały odporność na lokalne uszkodzenia spowodowane oddziaływaniem wyjątkowym [12]. Dokonując obecnie oceny bezpieczeństwa konstrukcji użytkowanych budynków wielkopłytowych należy odpowiedzieć na dwa następujące pytania: – czy budynek spełnia wymagania formalne sformułowane w obowiązujących dzisiaj przepisach (Prawo budowlane, Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać budynki), – czy aktualny stan techniczny budynku nie odbiega zasadniczo od rozwiązań przyjętych w projekcie. Pozytywna odpowiedź na te pytania jest warunkiem rozpoczęcia prac nad propozycjami modernizacji budynku. Budynek musi spełniać, wynikające z art. 5 Prawa budowlanego [13], wymaganie podstawowe „bezpieczeństwo konstrukcji”. Wymaganie to, uszczegółowione w Dziale V rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [14] mówi, że w użytkowanym budynku, prawidłowo zaprojektowanym i wykonanym, obciążenia na niego działające nie mogą doprowadzić do: – zniszczenia całości lub części budynku, 114 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… – przemieszczeń i odkształceń o niedopuszczalnej wielkości, – uszkodzenia części budynku, połączeń lub zainstalowanego wyposażenia w wyniku znacznych przemieszczeń elementów konstrukcji, – zniszczenia na skutek wypadku w stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny. Konstrukcja użytkowanego budynku musi spełniać warunek nieprzekroczenia stanu granicznego nośności, który jest przekroczony w przypadku gdy konstrukcja powoduje zagrożenie bezpieczeństwa ludzi znajdujących się w budynku oraz w jego pobliżu, a także zniszczenia wyposażenia lub przechowywanego mienia. Jeżeli więc użytkowanie budynku wielkopłytowego nie doprowadziło do powstania jednej z powyższych sytuacji, a stan graniczny nośności nie został przekroczony, to można przyjąć, że wymaganie podstawowe „bezpieczeństwo konstrukcji” jest spełnione. Warunek bezpieczeństwa konstrukcji uznaje się za spełniony jeżeli konstrukcja budynku odpowiada Polskim Normom dotyczącym projektowania i obliczania konstrukcji. Kolejnym elementem oceny technicznej budynku przed przystąpieniem do jego modernizacji jest stwierdzenie, że nie zostały przekroczone stany graniczne przydatności do użytkowania. Oznacza to, że w konstrukcji budynku nie występują: – lokalne uszkodzenia, w tym rysy, które mogą ujemnie wpływać na przydatność użytkową, trwałość oraz wygląd konstrukcji i jej części, – odkształcenia i przemieszczenia ujemnie wpływające na wygląd konstrukcji i jej przydatność użytkową. Szczegóły rozwiązań konstrukcyjnych w budynkach wielkopłytowych stanowią ich cechę charakterystyczną i bez dobrej znajomości tych rozwiązań w rozpatrywanym budynku trudno jest ocenić jego stan techniczny i stopień zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji. Obliczeniowe wykazanie bezpieczeństwa konstrukcji budynków wielkopłytowych w zasadzie nie różni się od postępowania w przypadku budynków ze ścianami murowymi i monolitycznymi. Odmienność obliczeniowego sprawdzenia bezpieczeństwa konstrukcji budynków wielkopłytowych wyraża się głównie potrzebą uwzględnienia wpływu złącza poziomego na nośność ścian, a także na zamocowanie stropów w ścianie, a o zapewnieniu spójności tarcz stropowych i tarcz ściennych przenoszących obciążenia poziome decyduje sztywność i nośność złączy w tych tarczach. Szczególnym problemem z zakresu bezpieczeństwa konstrukcji budynków wielkopłytowych są trójwarstwowe prefabrykaty ścian zewnętrznych. Ocena stanu technicznego tych ścian była już wielokrotnie szczegółowo omawiana (w tym na Konferencji Naukowo- Technicznej „Awarie budowlane”) w odrębnych referatach, np. [15]. Zarysowania warstwy fakturowej, a także problem połączenie jej z warstwą nośną nie wpływają jednak na bezpośrednie zagrożenie konstrukcji nośnej budynku. Warto tutaj zasygnalizować, że istnieją już wyspecjalizowane firmy wykonawcze, które oferują zabezpieczanie i naprawę warstw fakturowych ścian warstwowych, często w ramach ocieplania budynku. Przy ocenie stanu technicznego budynków wielkopłytowych należy rozróżnić dwa rodzaje uszkodzeń [16]. Pierwsze, które są zbliżone do uszkodzeń występujących w budownictwie tradycyjnym oraz drugie, ściśle związane z technologią budownictwa wielkopłytowego. Do tych drugich należą rysy występujące w złączach. Dokonując oceny technicznej konstrukcji budynku wielkopłytowego z reguły napotyka się na występujące w nim zarysowania. Rysy można podzielić na trzy poniższe grupy. Rysy powierzchniowe pojawiające się w złączach między prefabrykatami ściennymi, a także stropowymi, z reguły nie przekraczające 1,0 mm, których obecność nie ma związku z bezpieczeństwem konstrukcji. Referaty plenarne 115 Rysy lokalne, dochodzące do 3 mm, w złączach prefabrykatów ściennych, a także w samych prefabrykatach, przechodzące przez całą szerokość złącza, ale ograniczone zasięgiem do jednej kondygnacji. Jeżeli szerokość tych rys nie przekracza 1,0 mm i pozostaje stała w czasie, nie stanowi zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji, ale jeśli ich szerokość jest większa i rysy pojawiają się w kilku miejscach ocena skutków takiego zjawiska powinna być dokonana przez rzeczoznawcę budowlanego. Rysy strukturalne o szerokości z reguły większej niż 3,0 mm, występujące w złączach lub prefabrykatach ściennych, sięgające przez całą grubość ściany, przechodzące z kondygnacji na kondygnacje i łączące się z rysami poziomymi w ścianie pod stropem. Występowanie takich rys w budynku wymaga podjęcia środków zaradczych zapewniających bezpieczeństwo konstrukcji. Powodem pojawienia się rys strukturalnych są z reguły nierównomierne odkształcenia gruntu pod budynkiem, błędy projektowe lub wady wykonawcze, a niekiedy oba te czynniki występujące jednocześnie. Przy ocenie stanu technicznego konstrukcji budynków jednym z elementów oceny jest sprawdzenie zabezpieczenia konstrukcji przed skutkami obciążeń wyjątkowych, np. uderzenia ciężkiego przedmiotu w budynek lub wybuch w jego pomieszczeniach. W przypadku budynków mieszkalnych uderzenia ciężkiego przedmiotu to z reguły uderzenia samochodu w pionowy element nośny. W okresie gdy wznoszono budynki wielkopłytowe w kondygnacji podziemnej z zasady nie przewidywano ruchu pojazdów. Na poziomie parteru na ogół nie było konstrukcji słupowych, a układ ścian nośnych przechodził przez wszystkie kondygnacje, łącznie z podziemiem. W budynkach mieszkalnych mogą natomiast wystąpić obciążenia wyjątkowe w postaci wybuchu. Dlatego też niezbędne jest zapewnienie konstrukcji pewnego minimum bezpieczeństwa w tym zakresie. Wymaganie to odnosi się do wszystkich rodzajów konstrukcji, łącznie z konstrukcjami monolitycznymi. Z uwagi na mniejszy stopień zmonolityzowania, mniejszą zdolność do redystrybucji sił wewnętrznych i występowanie elementów wolnopodpartych, konstrukcje wielkopłytowe mogą mieć większą podatność na katastrofę postępującą w wyniku wybuchu. Z tego powodu wprowadzone zostało wymaganie [14], żeby konstrukcja była tak zaprojektowana i wykonana aby na skutek takich wypadków jak pożar, eksplozja, uderzenie lub ludzkie błędy wykazywała odpowiednią odporność na lokalne uszkodzenie, które mogłoby spowodować zniszczenie w zakresie nieproporcjonalnie dużym w stosunku do przyczyny, tzn. aby nie powstawała sytuacja nazywana „progressive collaps”. Podstawowe rozwiązania konstrukcyjne zapobiegające powstawaniu katastrofy postępującej omówiono w pkt. 4. Odnotowane dotychczas przypadki wybuchu gazu w budynkach wielkopłytowych wskazują, że w wyniku takiego wybuchu nie nastąpiło zniszczenie całej konstrukcji. Wybuch gazu w drugiej połowie lat 60-tych na 16 piętrze budynku wielkopłytowego w Londynie, który zainicjował opracowanie wymagań zabezpieczających budynki wielkopłytowe przed wystąpieniem katastrofy postępującej [9], nie spowodował zniszczenia całości budynku, ale jedynie zniszczenie pomieszczeń w narożu budynku pod miejscem wybuchu. W Algierze na skutek wybuchu ładunku podłożonego na parterze zniszczeniu uległo tylko naroże na parterze i I piętrze, a nie cała konstrukcja jedenastopiętrowego budynku. W Łodzi, na osiedlu Retkinia, na skutek wybuchu gazu na parterze budynku 11 kondygnacyjnego wielkopłytowego zniszczeniu uległ jedynie narożnik budynku na dwóch najniższych kondygnacjach. W Gdańsku, w latach 90-tych, w 11 kondygnacyjnym budynku wielkoblokowym na skutek wybuchu gazu zniszczony został parter, a cały budynek nie zawalił się, gdyż konstrukcja wyższych kondygnacji oparła się na gruzach parteru. Zrozumiałe jest, że budynek w takim stanie nie nadawał się do dalszego użytkowania. Ostatnio odnotowany przypadek wybuch gazu miał miejsce w pięciokondygnacyjnym budynku wielkopłytowym na jego ostatniej 116 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… kondygnacji, w segmencie skrajnym [17]. Konstrukcja nośna tego budynku nie była w pełni wielkopłytowa gdyż stropy żelbetowe o grubości 15 cm były wylewane. W wyniku wybuchu nie nastąpiła katastrofa postępująca, wymagana była jedynie rozbiórka i następnie odbudowa ostatniej i przedostatniej kondygnacji segmentu, w którym nastąpił wybuch. Zdaniem autora ekspertyzy wybuch ograniczony do jednego pomieszczenia lub mieszkania stanowi małe zagrożenie dla konstrukcji całego obiektu. 6. Trwałość Obecnie trwałość określana jako „zdolność budynku i jego części do spełnienia wymaganych funkcji przez cały okres jego użytkowania w warunkach oddziaływania określonych czynników” [18] jest jednym z podstawowych elementów oceny technicznej budynku. Dotyczy to również oceny technicznej użytkowanych od kilkudziesięciu lat budynków wielkopłytowych. Natomiast nie są prawdziwe, zdarzające się niekiedy poglądy, że trwałość projektowanych przed laty budynków wielkopłytowych zakładana była na okres 50 lat, gdyż w okresie ich projektowania nie określano przewidywanego okresu użytkowania budynków. Problem trwałości i okresu użytkowania budynku, a w tym jego konstrukcji znalazł formalne miejsce w dokumentach Unii Europejskiej dopiero przed ok. 20 laty. Według dokumentu UE [19], okres użytkowania obiektu to przedział czasu, w którym właściwości użytkowe są utrzymane na poziomie umożliwiającym spełnienie wymagań podstawowych. Dokument ten wprowadza (tabl. 1) cztery kategorie założonego okresu użytkowania obiektów od „krótkiego” 10 lat do „długiego” 100 lat i powiązane z nimi okresy użytkowania wyrobów budowlanych. Tablica 1. Założony okres użytkowania obiektów i wyrobów budowlanych Założony okres użytkowania obiektów (w latach) Założony okres użytkowania wyrobów budowlanych (w latach) kategoria W przypadku W przypadku Okres równy Kategoria Lata okresowi użytkowyrobu dającego wyrobu dającego się naprawić lub wania obiektu2 się naprawić lub łatwo wymienić wymienić trudniej Okres krótki 10 101 10 10 Okres średni 25 101 25 25 Okres normalny 50 101 25 50 Okres długi 100 101 25 100 1 W wyjątkowych i uzasadnionych przypadkach (dotyczy to np. pewnych wyrobów do napraw) okres użytkowania może być przewidywany na 3 lub 6 lat. 2 Wyroby nie dające się naprawić (ze względów ekonomicznych) lub wymienić Ostatnio wydany dokument UE [20] w nowym wymaganiu podstawowym „Zrównoważone wykorzystanie zasobów naturalnych” wprowadza między innymi wymaganie trwałości obiektów budowlanych. Analizując trwałość konstrukcji wielkopłytowych można też odnieść się do nowych przepisów FIB-Model Code 2010, omówionych w referacie [21]. Projektowy okres użytkowania i trwałość konstrukcji betonowych zawiera norma [22] podając tablicę orientacyjnych projektowych okresów użytkowania dla pięciu kategorii w zależności od rodzaju obiektów (tabl. 2). Według tej tablicy konstrukcje budynków i inne konstrukcje zwykłe znajdują się w kategorii 4 z orientacyjnym projektowym okresem użytkowania 50 lat. Referaty plenarne 117 Ocena makro stanu technicznego konstrukcji zdecydowanej większości budynków wielkopłytowych, użytkowanych przez ponad 50 lat wskazuje, że można je zakwalifikować do wyższej kategorii. Tablica 2. Orientacyjne projektowe okresy użytkowania obiektów Kategoria projektowego okresu użytkowania 1 Orientacyjny projektowy okresu użytkowania (lata) Przykłady Konstrukcje tymczasowe (1) Wymienialne części konstrukcji np. belki 2 od 10÷25 podsuwnicowe, łożyska 3 od 15÷30 Konstrukcje rolnicze i podobne Konstrukcje budynków i inne konstrukcje 4 50 zwykłe Konstrukcje budynków monumentalnych, 5 100 mosty i inne konstrukcje inżynierskie (1) Zaleca się, aby konstrukcje lub części konstrukcji, które mogą być demontowane w celu ponownego zmontowania, nie uważać za konstrukcje tymczasowe 10 Przedstawione powyżej dokumenty pozwalają przy dokonywaniu oceny stanu technicznego konstrukcji budynków wielkopłytowych odnieść się też do oceny ich trwałości. Odmiennie niż do trwałości betonowych konstrukcji budynków wielkopłytowych należy podejść do trwałości wyrobów budowlanych, z których wykonane są instalacje oraz elementy wyposażenia takie jak okna, drzwi czy ścianki działowe. Trwałość wyrobów określa się wg [19] jako zdolność wyrobu do utrzymania wymaganych właściwości użytkowych w określonym czasie pod wpływem możliwych do przewidzenia oddziaływań. Dokument [19] podaje (tabl. 1) założony okres użytkowania wyrobów budowlanych dla dających się naprawić lub łatwo wymienić na 10 lat, w wyjątkowych przypadkach nawet mniej, a dla trudniej naprawialnych i wymienialnych – 25 lat. Sprawę przeglądów technicznych tych elementów budynku i przeprowadzania remontów czy modernizacji reguluje [23]. 7. Możliwości modernizacji konstrukcji wielkopłytowych Wieloletnie użytkowanie budynków wielkopłytowych powoduje pogorszenie ich stanu technicznego oraz może powodować niespełnianie współczesnych wymagań funkcjonalno-użytkowych. Wymaga to podejmowania decyzji o modernizacji tych budynków. Modernizację budynków wielkopłytowych podjęto przed laty w krajach europejskich, w których budownictwo wielkopłytowe stosowane był na szeroką skalę, tj. we Francji, w Republice Federalnej Niemiec i Szwecji [2]. Największy zakres modernizacji miał miejsce na terenach dawnego NRD, gdzie zbudowano około 2 mln. mieszkań w technologii wielkopłytowej [24]. Według dokumentu rządu RFN z 1995 r. „Sprawozdanie na temat szkód budowlanych” [25] budynki wielkopłytowe wykazują w zasadzie, we wszystkich swoich podstawowych elementach, wystarczające bezpieczeństwo. Odnotowano natomiast uszkodzenia takich elementów jak okna, balkony, loggie, dachy i ściany zewnętrzne, które wymagały w pierwszym rzędzie napraw jeszcze przed modernizacją mającą na celu poprawę jakości rozwiązań funkcjonalnoużytkowych i standardu mieszkań. We Francji w latach 1955-1965 w budownictwie mieszkaniowym masowo wprowadzano technologię wielkopłytową [26]. Po kilkudziesięciu latach użytkowania podjęto modernizację budynków wielkopłytowych. Dla określenia robót prowadzonych w użytkowanych budynkach w celu przystosowania ich do współczesnych wymagań techniczno-użytkowych w nowym 118 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… kontekście socjalno-ekonomicznym stosowano termin „rehabilitacja”. Przy podejmowaniu prac rehabilitacyjnych, takich jak łączenie mieszkań, z uwagi na niedogodności dla mieszkańców prace te starano się wykonywać na zewnątrz budynku. Przykładowo łączono mieszkania przez elewację budynku wykonując lekkie dobudówki lub dobudowując loggie. Dla potrzeb modernizacji budownictwa wielkopłytowego, w ramach programu europejskiego JOULE II, utworzono projekt EPIQUR, w wyniku którego opracowano metodę oceny stanu i stopnia zniszczenia budynku oraz propozycje prac służących odnowieniu budynku, poprawie charakterystyki energetycznej i polepszenia jakości mieszkań. W Szwecji rozpoczęto prace modernizacyjne budynków wielkopłytowych w latach 80-tych, które obejmowały głównie docieplanie budynków oraz często zmiany w układach funkcjonalnych mieszkań. W Polsce, poza systemem dofinansowania dociepleń budynków, nie powstał żaden kompleksowy program modernizacji budownictwa wielkopłytowego. Odróżnić należy „modernizację techniczną” budynku od „rehabilitacji” zespołów mieszkaniowych, polegającej na poprawie jakości środowiska zamieszkania, w tym rozwiązań funkcjonalno-użytkowych mieszkań. Modernizacja techniczna powinna w pierwszym rzędzie dotyczyć poprawy instalacji, docieplenia ścian zewnętrznych, łącznie z poprawą elewacji, warstw podłogowych, ścianek działowych, wymiany okien i pokryć dachowych oraz wymiany lub dobudowy dźwigów. Są to prace modernizacyjne nie ingerujące w konstrukcję nośną budynku. Pierwszą, szeroko stosowaną formą modernizacji budynków wielkopłytowych, poprawiającą ich wartość użytkową było zwiększanie izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych. Nie wywołuje to jednak potrzeby zmian w konstrukcji nośnej. Należy pamiętać, że zabieg „docieplenia” ściany zewnętrznej wiąże się ze zwiększeniem obciążenia połączeń warstwy wewnętrznej z zewnętrzną spowodowanym nałożeniem na materiał izolacyjny warstwy nowej wyprawy zewnętrznej. Powoduje to konieczność wzmocnienia tych połączeń za pomocą dodatkowych łączników stalowych w postaci wsporników, trzpieni czy rzadziej cięgien stalowych. Wzmocnienia są również celowe z powodu możliwości zastosowania w procesie produkcji prefabrykatów, łączników z niewłaściwej klasy stali, błędów w rozmieszczeniu i średnicach łączników [27]. Docieplenia ścian stwarzają też dodatkową ochronę elementów betonowych i przede wszystkim ich złączy przed korozją. W dalszej części referatu ograniczono się do omówienia możliwości zmian w konstrukcji nośnej, pozwalających na poprawienie struktury mieszkań i ich funkcjonalności oraz przebudowy całego budynku. Modernizacja mająca wpływ na konstrukcję nośną może dotyczyć: – przekształcenia układów funkcjonalnych mieszkań i ich łączenia w granicach, które określa bezpieczeństwo konstrukcji, – nadbudowy dodatkowych kondygnacji, – dobudowy loggi i obudowy balkonów, – zmian kształtu dachu (nowe powierzchnie mieszkalne, mieszkania dwupoziomowe), – przebudowy wejść do budynków i klatek schodowych, dostosowującej je do potrzeb osób niepełnosprawnych, – zmian przeznaczenia parterów budynków. Zmiany układów funkcjonalnych mieszkań w ich obrysie lub łączenie mieszkań w poziomie wymaga wprowadzania nowych otworów w ścianach nośnych. Ograniczeniem wykonania takich otworów jest zachowanie bezpieczeństwa, gdyż może to powodować koncentrację naprężeń i zmianę ich rozkładu. Na podstawie przeprowadzonych w ITB analiz budynków o wysokości 5 i 11 kondygnacji o poprzecznym układzie ścian nośnych w rozstawie 6 m, Referaty plenarne 119 grubości 15 cm, z betonu o projektowanej wytrzymałości 200 (dawna marka betonu) w pracy [28] podano wskazówki ogólne, przytoczone poniżej. Stosując symulacyjne obliczenia komputerowe określono przyrosty naprężeń normalnych w przekrojach poziomych ścian nośnych z dodatkowymi otworami w stosunku do naprężeń w ścianach bez otworów. Rozpatrywano ściany w układzie często spotykanym w rzeczywistości, złożonym z dwóch pasm pionowych o szerokości 5 m i części korytarzowej o szerokości 2 m. Analizę przeprowadzono z uwzględnieniem działania wiatru w I strefie klimatycznej, normowych obciążeniach pionowych, z założeniem, że ściany stanowią ciągłe tarcze w płaskim stanie naprężeń. Rozpatrzono lokalizacje nowych otworów o szerokości 1 m, wysokości 2,0 m, w osi pasm ściany oraz w odległości 1,0 m od zewnętrznych lub wewnętrznych ich krawędzi. Jak należało oczekiwać najkorzystniejszym rozwiązaniem jest lokalizacja dodatkowych otworów w osiach pasm ściany. Ze względu na bezpieczeństwo konstrukcji tak zlokalizowane otwory w budynkach 11-kondygnacyjnych można wykonywać poczynając od drugiej kondygnacji, a w budynkach 5-kondygnacyjnych już od pierwszej. Wprowadzanie zmian funkcji użytkowych w parterze (zamiana mieszkań na pomieszczenia usługowe) z reguły wymaga wykonania dodatkowych otworów o szerokości powyżej 1,0 m, co powoduje duży wzrost naprężeń, a w konsekwencji konieczność wykonania dodatkowych obliczeń, w tym sprawdzenie sztywności przestrzennej oraz wykonania w ścianach nośnych odpowiednich wzmocnień (zwiększenie grubości ściany, dozbrojenie nadproży, np. za pomocą profili stalowych). W przypadku, gdy przewiduje się dużą liczbę dodatkowych otworów, poza drzwiowymi, wynikającymi z modernizacji wentylacji czy zastosowaniem klimatyzacji, poza sprawdzeniem nośności na obciążenia pionowe należy dokonać analizy spełnienia wymagań z zakresu sztywności przestrzennej budynku. W projektowaniu nowych otworów w ścianach konstrukcyjnych szczególny sens ma uwzględnienie współpracy przestrzennej ścian poprzecznych i podłużnych [29]. Uzasadnione jest to tym, że: – uwzględnienie współpracy przestrzennej ścian pozwala wykorzystać duże rezerwy nośności, – oprogramowania komputerowe ułatwiają wdrożenie powyższej koncepcji wykonania obliczeń. Przy modernizacji budynku można liczyć się z potrzebą poszerzenia lub podwyższenia istniejących otworów. W przypadku takich zmian konieczne jest wykonanie obliczeń konstrukcyjnych dla nowego układu, np. gdy podwyższenie otworu powoduje wycięcie prętów zbrojeniowych z dolnej strefy nadproża. Dodatkowe otwory w stropach budynków wielkopłytowych można wykonywać analogicznie jak w innych stropach żelbetowych, uwzględniając przy tym położenie i wielkość otworów oraz rodzaj stropu (prefabrykaty wielkopłytowe, płyty kanałowe). Częstym rozwiązaniem stosowanym przy modernizacji budynków wielkopłytowych jest ich nadbudowa. Nadbudowa dodatkowej kondygnacji wiąże się z koniecznością wprowadzenia zmian w najwyższej istniejącej kondygnacji i wymaga obliczeń sprawdzających czy ściany nośne i fundamenty bezpiecznie przeniosą dodatkowe obciążenia. Istnieją też możliwości uzyskania dodatkowych powierzchni mieszkalnych poprzez zmiany kształtu dachu i wykorzystanie poddasza. Wstępnie można przyjąć, że w istniejących budynkach, wykonanych w powszechnie stosowanych systemach, nadbudowa dodatkowej kondygnacji czy wykorzystanie poddaszy na cele mieszkalne nie będzie powodować zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji. W tych przypadkach konieczne jest - z uwagi na możliwość wystąpienia zmiany obciążeń – sprawdzenie 120 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… nośności istniejącego stropu nad ostatnią kondygnacją. Zawsze racjonalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie lekkich materiałów pozwalających na maksymalne zmniejszenie dodatkowego obciążenia na istniejącą konstrukcję. Dobudowa dodatkowej kondygnacji oraz wykorzystanie poddasza na mieszkania może wymagać zainstalowania dźwigu osobowego, zgodnie z § 54.1 przepisu [14], w przypadku gdy różnica poziomów posadzek pomiędzy pierwszą i najwyższą kondygnacją nadziemną przekracza 9,5 m. Drugim istotnym powodem modernizacji dźwigów osobowych jest potrzeba dostosowania ich do potrzeb osób niepełnosprawnych, gdyż obecnie stosowane nie spełniają warunków minimalnej powierzchni kabiny [30]. Jedną z możliwości technicznych jest przebudowa szybu dźwigowego i likwidacja przylegającego doń zsypu śmieciowego. Jednakże wbudowanie dźwigu osobowego w budynek lub powiększenie jego powierzchni będzie się wiązało z poważnymi zmianami w konstrukcji budynku i może powodować konieczność wzmocnienia niektórych elementów konstrukcji. Dobudowa dźwigu do budynku nie będzie miała wpływu na konstrukcję nośną, ale będzie wymagać wykonania połączenia z budynkiem w sposób zapewniający nieprzenoszenie się drgań przekraczających wartości dopuszczalne, określone w Polskich Normach. Postulaty urozmaicenia monotonnych elewacji budynków wielkopłytowych wiążą się często z propozycjami wykonania dodatkowych balkonów czy loggii oraz zmian istniejących balustrad. Zmiana starych balustrad ażurowych czy płytowych na nowe ażurowe nie stanowi problemu technicznego. W przypadku dodatkowych balkonów praktycznie, z przyczyn konstrukcyjnych, mogą to być balkony dostawiane (podpierane), złożone z płyt podestowych i pionowych elementów wsporczych w postaci słupów lub elementów pasmowych, a nie balkonów wspornikowych. 8. Uwagi końcowe Wieloletnie obserwacje zachowania się budynków z prefabrykowanych betonowych elementów wielkowymiarowych (wielkopłytowych i wielkoblokowych), poddanych nawet obciążeniom wyjątkowym wskazują, że nie następuje ich destrukcja w takim stopniu, aby zagrażała bezpieczeństwu konstrukcji. Wystarczającą podstawą projektowania konstrukcji systemów wielkopłytowych tak, aby przez cały okres użytkowania spełniały wymagane stany graniczne nośności i użytkowalności oraz wykazywały odporność na oddziaływania wyjątkowe, były doświadczenia polskie i zagraniczne, prace badawcze i literatura techniczna oraz przepisy normowe. Konstrukcje użytkowanych obecnie budynków wielkopłytowych spełniają współczesne wymagania bezpieczeństwa. Nieuzasadnione są obiegowe opinie, że budynki wielkopłytowe były projektowane z założeniem ich eksploatacji przez 50 lat. Betonowa konstrukcja nośna tych budynków, szczególnie, że nie jest narażona na oddziaływanie czynników atmosferycznych, może być użytkowana jeszcze przez wiele lat. Nie ma dzisiaj możliwości, a nawet potrzeby, masowej rozbiórki obecnie użytkowanych budynków mieszkalnych wykonanych w technologii wielkopłytowej. Natomiast należy podejmować następujące tematy: – metody monitoringu stanu technicznego użytkowanych budynków, – metody oceny stanu technicznego konstrukcji, pozwalające na stwierdzenie, że nie występuje zagrożenie awarią, – rozwiązania konstrukcyjne umożliwiające modernizację budynków, służące poprawie warunków funkcjonalno-użytkowych, a nawet zmianie wyrazu architektonicznego. Referaty plenarne 121 Na szczególną uwagę zasługuje sprawa modernizacji ścian zewnętrznych, zarówno z potrzeby zmniejszenia energochłonności budynków, jak też i dlatego, że ściany te są elementem najbardziej „wrażliwym” na możliwość wystąpienia awarii. Odrębnie należy traktować ocenę stanu technicznego wszystkich instalacji budynku (instalacji elektrycznych, wod-kan, gazowych), dźwigów oraz okien. Te elementy budynku z reguły nie odpowiadają współczesnym wymaganiom, a ponadto ich stan techniczny jest bardzo zły, często nie do zaakceptowania. Poglądy, że w niedalekiej przyszłości osiedla wielkopłytowe będą burzone, a w ich miejsce będą budowane nowe nie znajdują racjonalnego uzasadnienia. Oceniając zaspokojenie potrzeb mieszkaniowych w Polsce, to przyjmując za miernik liczbę istniejących mieszkań na tysiąc mieszkańców znajdujemy się jeszcze na bardzo niskiej pozycji wśród państw Unii Europejskiej. Ocena wartości mieszkań w budynkach wielkopłytowych uległa w ostatnich latach ewolucji. Pewnym paradoksem jest iż pomimo, że mieszkania są małe, o niższej wysokości pomieszczeń niż w obecnie budowanych, użyte materiały i wykonawstwo były niskiej jakości to na rynku nieruchomości nadal jest nimi zainteresowanie. Uzasadnione jest to tym, że osiedla wielkopłytowe są bliżej położone i dobrze skomunikowane z centrami miast, zwykle dysponują wystarczającą infrastrukturą społeczną i handlowo – usługową. Ponadto pomimo, że urbanistyka tych osiedli często budzi zastrzeżenia to zagęszczenie budynków na powierzchni terenu jest mniejsze niż w osiedlach współcześnie budowanych. Tematem od lat podnoszonym, a który do dziś nie doczekał się realizacji, jest utworzenie rządowego programu renowacji osiedli wielkopłytowych. Podawane są przykłady takich programów w Niemczech i Francji, w których ogromne środki finansowe zostały na nie przeznaczone. W aktualnej sytuacji ekonomicznej nie należy łudzić się, że taki program powstanie w Polsce. Natomiast w ostatnich latach odnotowano różne formy dofinansowania budowy nowych mieszkań. Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Rocznik Statystyczny GUS 2011. Wierzbicki S. M. Problemy modernizacji budynków wielkopłytowych. Konferencja Naukowo-Techniczna „Możliwości Techniczne Modernizacji Budynków Wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu.” ITB, Mrągowo 1999 r. Dębowski J.: Typowe uszkodzenia w budynkach wielkopłytowych. Przegląd Budowlany nr 10/2012. Makuszewski J.: Budownictwo mieszkaniowe z prefabrykatów żelbetowych, wczoraj i dziś. Materiały Budowlane nr 11/2010. Konferencja Naukowo-Techniczna „Możliwości Techniczne Modernizacji Budynków Wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu”. Materiały konferencyjne. ITB Warszawa-Mrągowo 1999 r. Lewicki B.: Budynki z elementów wielkowymiarowych. Arkady, Warszawa 1961 Lewicki B. i współautorzy: Budynki wznoszone metodami uprzemysłowionymi. Arkady, Warszawa 1979. BN-74/8812-01 Konstrukcje budynków wielkopłytowych. Projektowanie i obliczenia statyczno-wytrzymałościowe. Recommendations Internationales pour les Structures en Panneaux – CEB/FIP/UEAtcRoma Ital. Del Cemento, Roma 1969. 122 Wierzbicki S.M. i in.: Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia… 10. Systemy budownictwa mieszkaniowego i ogólnego W-70, Szczecin, SBO, SBM-75, WUF-T, OWT-67, WWP. Arkady, Warszawa 1974. 11. Zieleniewski St.: Stan graniczny nośności złączy poziomych w budynkach z prefabrykatów wielkowymiarowych. Praca doktorska. Politechnika Warszawska, Warszawa 1973. 12. Dębowski J.: Cała prawda o budynkach wielkopłytowych. Przegląd Budowlany nr 9/2012. 13. Ustawa z dnia 17 lipca 1994 r. Prawo budowlane (tj. Dz.U. z 2006 r., nr 156,poz 1118, z późn. zm.). 14. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r., nr 75, poz. 690, z późn. zm.). 15. Wójtowicz M.: Możliwość awarii warstwowych ścian zewnętrznych budynków wielkopłytowych – problem realny czy sensacja medialna. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie Budowlane” Szczecin-Międzyzdroje 2011. 16. Lewicki B.: Metodyka oceny stanu technicznego konstrukcji budynków wielkopłytowych. ITB, Warszawa 2002. 17. Ślusarczyk J., Wójcicki A.: Skutki wybuchu gazu w budynku o konstrukcji żelbetowej wielkopłytowej. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie Budowlane” Szczecin-Międzyzdroje 2011. 18. Ściślewski Z.: Zasady projektowania budynków i budowli z uwzględnieniem trwałości. Warszawa ITB 2002. 19. Dokument UE Guidance Paper F-CONSTRUCT 99/367. 20. Załącznik 1 do Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) Nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011. 21. Ajdukiewicz A.: Beton a środowisko – Zasady projektowania konstrukcji betonowych z uwagi na trwałość i wpływ na środowisko. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie Budowlane” Szczecin-Międzyzdroje 2011. 22. PN-EN 1990 Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji. 23. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 sierpnia 1999 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania budynków mieszkalnych (Dz.U. z 1999 r., nr 74, poz. 836, z późn. zm.). 24. Widera J.: Modernizacja budynków wielkopłytowych w RFN. Przegląd Budowlany nr 9/1998. 25. Henger H. D.: Grossiedlungen Und Plattenbau – eine Vision für die Zukunft. Konferencja Naukowo-Techniczna „ Możliwości Techniczne Modernizacji Budynków Wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu.” ITB, Mrągowo 1999 r. 26. Blache B., Salagnac J. L.: Modernisation des bâtiments en panneaux préfabriqué; expériences françaises. Konferencja Naukowo-Techniczna „ Możliwości Techniczne Modernizacji Budynków Wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu.” ITB, Mrągowo 1999 r. 27. Krentowski J., Tribiłło R.: Praktyczne aspekty wzmacniania zewnętrznych ścian warstwowych. Inżynieria i Budownictwo nr 1/2010. 28. Zieliński J. z zespołem: Zasady przystosowania budynków mieszkalnych do nowych zadań funkcjonalnych. Praca naukowo – badawcza NE-32/ITB (maszynopis) 1998 r. 29. Cholewicki A., Chyży T., Jarosław S.: Nowe otwory w ścianach konstrukcyjnych budynków wielkopłytowych. ITB, Warszawa 2003 r. 30. Ostańska A., Pasternak A.: Przykłady dostosowania istniejących budynków wielkopłytowych do potrzeb osób niepełnosprawnych. Inżynieria i Budownictwo nr 8/2010.
